(57)【要約】【課題】拡散防止膜へのサイドエッチの発生を抑制することができる半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、金属配線上に順次形成された互いに異なる材料からなる第１及び第２絶縁膜に開口部を形成して金属配線を露出させる工程を備える半導体装置の製造方法であって、開口部の形成は、第２絶縁膜をリアクティブイオンエッチングし、第１絶縁膜をスパッタエッチングすることにより行うこと特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属配線上に順次形成された互いに異なる材料からなる第１及び第２絶縁膜に開口部を形成して金属配線を露出させる工程を備える半導体装置の製造方法であって、
開口部の形成は、第２絶縁膜をリアクティブイオンエッチングし、第１絶縁膜をスパッタエッチングすることにより行うこと特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記金属配線は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，ＴｉＮ又はＷからなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１絶縁膜は、ＳｉＮ，ＳｉＣ又はＳｉＣＮからなる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第２絶縁膜は、ノンドープ、又はフッ素、ボロン、リンの少なくとも１つを含む酸化シリコンからなる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１及び第２絶縁膜は、ＣＶＤ法で形成される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１絶縁膜は、金属配線中の金属が第２絶縁膜中に拡散するのを防止する機能を有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１絶縁膜は、第２絶縁膜に対してエッチング選択性を有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
リアクティブイオンエッチングは、フルオロカーボン系のガスを含むエッチングガスを用いて行われる請求項１に記載の方法。
【請求項９】
フルオロカーボン系のガスは、ＣＨ2Ｆ2又はＣＨＦ3を含むガスである請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
スパッタエッチングは、希ガス、又は窒素を用いて行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１絶縁膜の一部は、リアクティブイオンエッチングされる請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの高速化、低消費電力化に伴い、金属配線の低抵抗化がますます重要となっている。配線自体の低抵抗化の為に、従来、配線に使用されていたＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等の材料からＣｕ等の、より低抵抗の新材料への変更が進められている。
【０００３】
Ｃｕ配線は、従来のＡｌ配線に比較して抵抗が約５０％低く、また、エレクトロマイグレーション等の問題が生じ難いという利点がある。しかし、Ｃｕ配線は、層間絶縁膜中への拡散係数が大きく、Ｃｕが層間絶縁膜に拡散すると、素子特性が劣化することがある。また、Ｃｕ配線は、酸化膜等からなる層間絶縁膜との密着性が良くないという問題がある。
【０００４】
Ｃｕ配線は、通常、ダマシンプロセスにより形成される。ここで、従来のダマシンプロセスを用いた配線層の形成方法の一例を図４を用いて説明する（例えば、特許文献１を参照）。図４は、従来の配線層の形成方法の一例を示す断面図である。
【０００５】
まず、半導体基板５１上に、ＦＳＧ（すなわち、ＳｉＯＦ）などからなる層間絶縁膜５３を形成し、層間絶縁膜５３にバリア膜を介してＣｕからなる下層配線５５を形成し、図４（ａ）に示す構造を得る。
【０００６】
次に、得られた基板上に、ＳｉＮなどからなる拡散防止膜５７、ＦＳＧなどからなる層間絶縁膜５９、ＳｉＮなどからなるストッパー膜６１、ＦＳＧなどからなる層間絶縁膜６３を形成し、図４（ｂ）に示す構造を得る。拡散防止膜５７は、下層配線５５のＣｕが層間絶縁膜５９に拡散するのを防止するために形成される。ストッパー膜６１は、後述する上層配線形成用の開口部６５を形成する際のエッチングストッパー膜として機能する。
【０００７】
次に、層間絶縁膜６３に上層配線形成用の開口部６５を形成し、さらに、層間絶縁膜５９に上層下層配線接続部形成用の接続孔６７を形成し、図４（ｃ）に示す構造を得る。
【０００８】
次に、拡散防止膜５７をリアクティブイオンエッチングし、図４（ｄ）に示す構造を得る。
【０００９】
次に、開口部６５及び接続孔６７内に、Ｔａ／ＴａＮなどからなるバリア膜６８を形成し、図４（ｅ）に示す構造を得る。バリア膜６８は、後工程で開口部６５及び接続孔６７内に充填される銅が層間絶縁膜５９，６３に拡散するのを防止する機能を有する。
【００１０】
この後、開口部６５及び接続孔６７内に、銅シード膜を形成し、電界メッキ法により銅を充填し、余分な銅をＣＭＰ法により除去し、上層配線６９及び、上層下層配線６９，５５の接続部７１を形成し、図４（ｆ）に示す構造を得る。
【特許文献１】特開２００４−６３５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記方法において、拡散防止膜５７がエッチング後に残留していると、接続部７１と下層配線５５との電気的接触が悪くなる。このため、拡散防止膜５７が残留しないように、拡散防止膜５７のエッチング工程では、通常、種々のバラツキを考慮して、拡散防止膜５７の設定膜厚やエッチングレート等から計算された時間よりも長い処理時間のエッチング（オーバーエッチング）が行われる。このオーバーエッチングにおいて、エッチングが、拡散防止膜５７と下層配線５５との界面の横方向にもエッチングが進むサイドエッチと呼ばれる現象が生じ、サイドエッチ部７３が形成された図５に示すような構造になることがある。
【００１２】
バリア膜６８は、通常、スパッタリングによって形成され、バリア機能を確保するために５ｎｍ以上の膜厚で形成されるが、スパッタリングによる成膜は、異方性が高いので、サイドエッチ部７３には、十分な膜厚でバリア膜が形成されないことがある。サイドエッチ部７３でのバリア膜６８の膜厚が不十分だと、接続部７１の銅が、層間絶縁膜５９に拡散することがある。この拡散によって、接続部７１にボイドが発生し、エレクトロマイグレーション耐性が劣化することがある。
【００１３】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、サイドエッチの発生を抑制することができる半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属配線上に順次形成された互いに異なる材料からなる第１及び第２絶縁膜に開口部を形成して金属配線を露出させる工程を備える半導体装置の製造方法であって、開口部の形成は、第２絶縁膜をリアクティブイオンエッチングし、第１絶縁膜をスパッタエッチングすることにより行うこと特徴とする。
【００１５】
発明者は、第１絶縁膜をスパッタエッチングして金属配線を露出させることによって、第１絶縁膜へのサイドエッチの発生を大幅に抑制できることを見出し、本発明の完成に到った。
【００１６】
本発明によれば、第１絶縁膜へのサイドエッチの発生が抑制されるので、バリア層を均一に十分な膜厚で形成することができる。このため、開口部に金属等を充填した際に、この金属が第１又は第２絶縁膜に拡散するのを防止することができ、この充填金属へのボイドの発生を抑制することができる。従って、ボイド発生によるエレクトロマイグレーション耐性劣化を抑えることができ、デバイス特性の向上が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属配線上に順次形成された互いに異なる材料からなる第１及び第２絶縁膜に開口部を形成して、金属配線を露出させる工程を備える半導体装置の製造方法であって、開口部の形成は、第２絶縁膜をリアクティブイオンエッチングし、第１絶縁膜をスパッタエッチングすることにより行うこと特徴とする。
【００１８】
上記金属配線は、電気抵抗やエレクトロマイグレーション耐性の観点からＣｕで形成することが好ましいが、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，ＴｉＮ又はＷ等配線材料としての特性に必要な性能を持つ材料で形成してもよい。
【００１９】
第１絶縁膜は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＣ又はＳｉＣＮなどで形成することができる。第２絶縁膜は、例えば、層間絶縁膜として機能しうる種々の材料で形成することができ、具体的には、ノンドープ、又はフッ素、ボロン、リンの少なくとも１つを含む酸化シリコンなどで形成することができる。第１及び第２絶縁膜は、ＣＶＤ法などで形成することができる。
【００２０】
第１及び第２絶縁膜とも、上記以外の材料で形成してもよく、第１絶縁膜は、金属配線中の金属が第２絶縁膜中に拡散するのを防止する機能を有するように形成することが好ましい。また、第１絶縁膜は、第２絶縁膜に対してエッチング選択性を有するように形成することが好ましい。この場合、第一絶縁膜の早期突き抜けによる下地配線金属への悪影響(変質、配線膜ロス等)低減という利点があるからである。
なお、第１絶縁膜の膜厚は、好ましくは、３０〜８０ｎｍであり、第２絶縁膜の膜厚は、好ましくは、２００〜７００ｎｍである。
【００２１】
開口部は、種々の形状で形成することができ、これには、溝や孔（断面が円形又は多角形など）形状のものが含まれる。
【００２２】
リアクティブイオンエッチングとは、フルオロカーボン系のガス（例えばＣＨ2Ｆ2、ＣＨＦ3を含むガス）など、エッチングされる絶縁膜材料と反応しやすい成分を含むエッチングガスを用いて行うエッチングであり、スパッタエッチングとは、希ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎなどの元素周期表の０族の気体）又は窒素ガスなどの絶縁膜材料と実質的に反応しない成分のみからなるガスを用いて行うエッチングである。
【００２３】
第１絶縁膜の全部をスパッタエッチングしてもよいが、第１絶縁膜の一部は、リアクティブイオンエッチングし、残りをスパッタエッチングすることが好ましい。なぜなら、通常、スパッタエッチングは、リアクティブイオンエッチングよりもエッチングレートが小さいので、スパッタエッチングのみで第１絶縁膜をエッチングすると、エッチング時間が長くなるからである。また、第２絶縁膜の途中までをリアクティブイオンエッチングし、第２絶縁膜の残りと第１絶縁膜の全部をスパッタエッチングしてもよい。第１絶縁膜が極めて薄い等の場合には、リアクティブイオンエッチングによるオーバーエッチを回避するため、このような方法も有効である。
【００２４】
スパッタエッチングは、エッチング装置を用いて行ってもよく、それ以外の装置を用いて行ってもよい。例えば、バリア膜形成工程の前に、下層配線の荒れ（この荒れは、拡散防止膜のエッチングの際などに発生することがある。）を改善するために、プリクリーン（Ａｒガスのような不活性ガスのみを使用したプラズマで、露出した下地金属配線であるＣｕ表面の荒れている部分を物理スパッタ効果で除去すること）を行うことがあるが、このプリクリーンの際に、第１絶縁膜のスパッタエッチングを行ってもよい。
【実施例】
【００２５】
図１を用いて、本発明の実施例の半導体装置の製造方法について説明する。
【００２６】
まず、半導体基板１上に、ＦＳＧからなる層間絶縁膜３を形成し、層間絶縁膜３にＣｕからなる下層配線５を形成し、図１（ａ）に示す構造を得る。
【００２７】
次に、得られた基板上に、ＳｉＮからなる拡散防止膜（膜厚５０nm）７、ＦＳＧからなる層間絶縁膜（膜厚４００ｎｍ）９、ＳｉＮからなるストッパー膜１１、ＦＳＧからなる層間絶縁膜１３を形成し、図１（ｂ）に示す構造を得る。
【００２８】
次に、層間絶縁膜１３に上層配線形成用の開口部１５を形成し、さらに、層間絶縁膜９に上層下層配線接続部形成用の接続孔１７を形成し、図１（ｃ）に示す構造を得る。
【００２９】
次に、以下の条件で、拡散防止膜７のリアクティブイオンエッチングを行う。エッチングは、拡散防止膜７が１０ｎｍ程度残るように時間を調節して行う。この工程により、図１（ｄ）の構造が得られる。
圧力５０ｍＴｏｒｒ，ＲＦ  Ｐｏｗｅｒ＝５００ｗ，ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2／Ａｒ＝２０／２０／１００ｓｃｃｍ
なお、この時の下部電極温度は、６０℃であるが、２０℃〜６０℃がより好ましい。
【００３０】
次に、以下の条件で、拡散防止膜７の残りをスパッタエッチングし、図１（ｅ）に示す構造を得る。
圧力５０ｍＴｏｒｒ，ＲＦ  Ｐｏｗｅｒ＝５００ｗ，Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ
【００３１】
ここで、図２を用いて、本実施例と従来の方法（拡散防止膜７全部をリアクティブイオンエッチングする方法）とで得られた接続孔を比較する。図２（ａ）は、本実施例の方法で形成された接続孔の断面図であり、図２（ｂ）は、従来の方法で形成された接続孔の断面図である。従来の方法では、ＳｉＮからなる拡散防止膜に２０ｎｍ程度のサイドエッチが生じているが、本実施例の方法では、サイドエッチは実質的に生じていないことが分かる。
【００３２】
この後の工程で、開口部１５及び接続孔１７内に、Ｔａ／ＴａＮからなるバリア膜１８を形成し、図１（ｆ）に示す構造を得る。この後、開口部１５及び接続孔１７内に、銅シード膜を形成し、電界メッキ法により銅を充填し、余分な銅をＣＭＰ法により除去し、上層配線１９及び、上層下層配線１９，５の接続部２１を形成し、図１（ｇ）に示す構造を得る。
【００３３】
本実施例の方法では、拡散防止膜７にサイドエッチが実質的に生じないので、バリア膜１８が十分な厚さで均一に形成される。そのため、接続部２１の銅が、層間絶縁膜９に拡散することがなく、接続部２１へのボイドの発生が抑制され、その結果、エレクトロマイグレーション耐性の劣化が抑制される。
【００３４】
次に、図３を用いて、本実施例と従来の方法とで得られた半導体装置の故障率を比較する。図３の横軸は、半導体装置を２００℃という環境下で、７．０５ＭＡ／ｃｍ2の電流密度を印加した状態で放置した時間であり、縦軸は、故障率を示す。ここでは、抵抗値が１０％上昇した状態になったときに、「故障」とした。
【００３５】
図３より、本実施例で得られた半導体装置の故障率は、従来のものよりも低いことは明らかであり、本発明の有利な効果が実証された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例と従来の方法とで得られた接続孔を比較するための顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施例と従来の方法とで得られた半導体装置の故障率を比較するためのグラフである。
【図４】従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】従来の方法で形成されるサイドエッチ部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，５１：基板  ３，５３：層間絶縁膜  ５，５５：下層配線  ７，５７：拡散防止膜  ９，５９：層間絶縁膜  １１，６１：ストッパー膜  １３，６３：層間絶縁膜  １５，６５：上層配線形成用の開口部  １７，６７：上層下層配線接続部形成用の接続孔  １８，６８：バリア膜  １９，６９：上層配線  ２１，７１：接続部  ７３：サイドエッチ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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